劉曉東，崔向紅，何冬青，于麗杰，李天智

(黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，哈爾濱 150020)

0 引 言

玄武巖鱗片是一種新型環(huán)保材料，其主要成分為二氧化硅，性能與玻璃鱗片相近，因為在組成成分上有所差異，玄武巖鱗片重的鐵含量更高，所以相比玻璃鱗片，在耐堿腐蝕性能上要優(yōu)于玻璃鱗片。當(dāng)前全世界只有烏克蘭擁有玄武巖鱗片的制造技術(shù)，具有壟斷性的技術(shù)優(yōu)勢，俄羅斯產(chǎn)玄武巖鱗片片徑較小，其尺寸分布在幾微米到幾十微米之間，而國產(chǎn)玄武巖鱗片的片徑較大，厚度一般在3 μm左右，尺寸一般在25 ～ 3 mm左右(如圖1所示)。玄武巖纖維主要由SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、Na2O、K2O、CaO、MgO、TiO2等組成，其中SiO2和Al2O3占70%以上(如圖2所示)。

1 表面處理方法

現(xiàn)有的利用玄武巖鱗片制備復(fù)合材料時，是將玄武巖鱗片直接加入到聚合物基體混合，由于玄武巖鱗片的鱗片結(jié)構(gòu)，使其在聚合物基體中的分散性差，與聚合物基體的結(jié)合力弱，使得復(fù)合材料的綜合性能難以大幅度提高。

文中采用硅烷偶聯(lián)劑對其表面進(jìn)行處理，采用大功率超聲和高速剪切相結(jié)合的處理工藝，使其表面附著大量的有機(jī)官能團(tuán)，可與聚合物基體材料進(jìn)行化學(xué)鍵合，同時可以根據(jù)不同的聚合物體系和應(yīng)用要求，在鱗片纖維表面接枝不同的活性官能團(tuán)，不使用特殊裝置，無需高溫高壓條件，工藝簡單。改性后提高了界面相容性，改善了纖維團(tuán)聚現(xiàn)象。

1.1 表面處理工藝

首先將玄武巖鱗片纖維在硅烷偶聯(lián)劑醇溶液中高速剪切分散與超聲振蕩分散處理方法，增加鱗片纖維和硅烷偶聯(lián)劑的接觸，提供充分反應(yīng)機(jī)會，超聲處理也會對玄武巖鱗片纖維表面進(jìn)行刻蝕，增大纖維粗糙度和表面積，促進(jìn)硅烷偶聯(lián)劑更多的以氫鍵的方式附著于鱗片的表面和邊緣。接著，在室溫下放置足夠長的時間，使其與空氣中的水分接觸，硅烷偶聯(lián)劑水解為硅醇，為其能夠與鱗片纖維的無機(jī)物組分形成穩(wěn)定的Si-O-鍵連接打下良好基礎(chǔ)。本發(fā)明通過玄武巖鱗片纖維表面和邊緣大量的有機(jī)官能團(tuán)修飾，改善其界面相容性，使其可與聚合物基體材料進(jìn)行化學(xué)鍵合，相對于樹脂中直接添加偶聯(lián)劑，預(yù)處理能對鱗片起到有效均勻改性作用，在樹脂中有更好的浸潤作用，與樹脂界面形成的化學(xué)鍵，大大改善了纖維團(tuán)聚現(xiàn)象，從而聚合物的性能得到提高，適用于聚合物基功能復(fù)合材料的制備。

1.2 表面處理對比試驗

按硅烷偶聯(lián)劑KH550的質(zhì)量百分濃度為1%，將硅烷偶聯(lián)劑KH550加入到乙醇中，得到硅烷偶聯(lián)劑KH550醇溶液；將5 g玄武巖鱗片纖維加入到100 g偶聯(lián)劑KH550醇溶液中，得到混合液；將混合液放在燒杯中，用高速剪切攪拌機(jī)在轉(zhuǎn)速為2 000 rpm的條件下高速剪切攪拌20 min；然后再在功率為500 W的超聲波清洗機(jī)中分散20 min；將經(jīng)步驟二處理后的玄武巖鱗片纖維過濾出來，乙醇清洗3次，烘干，在25 ℃室溫下放置24 h，使硅烷偶聯(lián)劑有足夠的時間與空氣中的水分接觸，完成玄武巖鱗片纖維的表面處理。

對比試驗：將5 g玄武巖鱗片纖維加入到100 g偶聯(lián)劑KH550醇溶液中，得到混合液，再將混合液用電動攪拌器以50 rpm的低速攪拌40 min，其他步驟與上述試驗相同。對比測試結(jié)果如圖3-圖5所示。

從圖3可以看出，改性后玄武巖鱗片纖維在3 300～3 500 cm-1處出現(xiàn)了多個彌散的尖峰，說明其表面接入了氨丙基官能團(tuán)，1 074～960 cm-1處的雙尖峰為典型的硅氧鍵峰型，證明了硅烷偶聯(lián)劑在纖維表面成功接枝；圖5僅在2 923 cm-1處有微弱的亞甲基振動峰，未經(jīng)過高速剪切與超聲振蕩處理，經(jīng)過醇洗烘干后，其紅外光譜中氨基的彌散峰沒有出現(xiàn)，說明偶聯(lián)劑未能接枝在纖維表面或含量很少。

2 應(yīng)用前景

玄武巖纖維綜合性能優(yōu)異，由于玄武巖鱗片中鐵氧化物、二氧化鈦、氧化鋁、氧化鈣含量高，不僅能產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)，而且在耐酸堿和耐腐蝕性能方面也有獨(dú)特的優(yōu)勢，以玄武巖纖維為增強(qiáng)體可制成各種性能優(yōu)異的復(fù)合材料，可在較大程度上替代玻璃纖維、碳纖維，廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、建筑、車船制造、消防、環(huán)保等軍工和民用領(lǐng)域。